張 婷，劉 奎，周 輝，于 光

（上海飛機制造有限公司航空制造技術(shù)研究所，上海 200436）

近年來，隨著輕量化進程的加快，飛機選材發(fā)生了巨大變化。最重要的趨勢是總體用材上，傳統(tǒng)的金屬正在被樹脂基復(fù)合材料所替代［1］。復(fù)合材料在飛機上的用量不斷上升，并已成為飛機結(jié)構(gòu)用主要材料，大量應(yīng)用復(fù)合材料更是成為衡量新一代民機技術(shù)水平先進性的重要標(biāo)志［2－3］。以空客公司為例，復(fù)合材料用量從A300 的5%發(fā)展到A350 的53%，大大減少了飛機的質(zhì)量，降低了飛機的運營成本，而且在一定程度上減少了維護費用，符合低成本制造的發(fā)展趨勢，并提高了飛機的市場競爭力［4］。

但是，對于復(fù)合材料而言，由于纖維的表面狀態(tài)、樹脂粘度、低分子物含量、線性高聚物向體型高聚物轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)速度、樹脂與纖維的浸漬性、組分材料熱膨脹系數(shù)的差異以及工藝參數(shù)控制等的影響，導(dǎo)致不管用任何工藝方法制造，在制造過程中都難免會存在孔隙、分層等缺陷和損傷，從而影響制品的各項性能［5－6］。但是對于航空復(fù)合材料制件而言，制件的缺陷控制非常嚴(yán)格，因此為了保證制件的質(zhì)量，需要采用一種不造成制件破壞、不改變制件性能的檢測方法對制件進行檢測，以確保制件性能的可靠性和安全性［7－10］。

無損檢測技術(shù)可在不破壞復(fù)合材料的情況下有效地檢測出復(fù)合材料中的各種缺陷和損傷，因此被廣泛地應(yīng)用于工程中［11－13］。而超聲檢測是航空復(fù)合材料制件無損檢測最常用的手段之一，它基本可以解決零件制造階段90%以上的檢測問題［14－17］。在各大主機廠中，復(fù)合材料制造車間里面的超聲檢測設(shè)備多為噴水型C 掃描。這些大型設(shè)備檢測大尺寸零件是非常方便的，但是對一些小尺寸零件往往不方便在大型設(shè)備上檢測，一來工裝夾具不好做，另外一方面大型設(shè)備的使用效率也低。這些小尺寸零件通常采用小型的水浸超聲C 掃裝置進行檢測，水浸超聲檢測裝置大多數(shù)比較簡單，只有X、Y、Z三個軸，且只能實現(xiàn)脈沖回波法檢測，因此往往只能檢測簡單的等厚度層壓板制件。而實際的層壓板生產(chǎn)中，會存在大量的變厚度層壓板制件，普通的脈沖式水浸超聲C掃裝置無法對這類零件檢測。為此，筆者采用一種多電子閘門成像技術(shù)解決變厚度層壓板超聲脈沖回波C掃檢測的問題。

1 試樣制備與試驗方法

試件所用材料為T300 級碳纖維／環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，外形尺寸為300mm×200mm，厚度變化為1.5～3 mm，鋪層順序自上而下保持準(zhǔn)各向同性。試件共16層預(yù)浸料，其中最厚處（A 區(qū)）有16層預(yù)浸料，最薄處（C區(qū)）有8層，所有預(yù)浸料的寬度均裁剪為200mm。為了使試件的厚度均勻變化平緩過度，預(yù)浸料長度方向的尺寸按照每10mm 依次遞增，并且每隔兩層鋪放一層全尺寸（300 mm×200mm）料片。人工缺陷采用直徑分別為3，6，9mm，厚0.127 mm 的聚四氟乙烯薄膜，人工缺陷在試件中的分布如圖1所示，整個試件在三個厚度分區(qū)共預(yù)置了18個人工缺陷。鋪貼過程中，每隔四層抽真空預(yù)壓實一次，以便排出層間的空氣。

圖1 變厚度試件中人工缺陷的分布示意

試件采用熱壓罐成型工藝固化，起始抽真空，當(dāng)熱壓罐內(nèi)壓力達到0.14 MPa時卸真空。當(dāng)壓力達到0.6 MPa時，開始升溫，升溫速率為1.5 ℃／min，當(dāng)溫度達到180℃后保溫2h，然后降溫至60℃，降溫速率為1.5 ℃／min。

試件的超聲檢測采用Panametric 5058PR 作為超聲波探頭激勵及接收裝置，通過超聲C 掃描控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)自動C 掃描及數(shù)據(jù)存儲。所采用的檢測技術(shù)為水浸超聲脈沖反射法，在進行檢測時將試件的平面作為超聲波的入射面。所用探頭為水浸聚焦探頭，頻率為10MHz，探頭激勵電壓為400V，阻尼電阻為100Ω，放大器增益為0dB。

2 試驗結(jié)果與分析

變厚度試件雖然厚度不均勻，但由于B 區(qū)的厚度變化比較平緩，上下表面不平行，下表面反射回波的角度不大。另外，由于在超聲檢測時使用了聚焦探頭，聲束的焦點很小（直徑約1mm），在變厚度區(qū)如此小的范圍內(nèi)可近似視為平面。綜合上述兩方面原因，使用脈沖反射法進行變厚度區(qū)檢測時，探頭仍然可以接收到底面回波。

雖然在變厚度區(qū)可以接收到底面反射回波信號，但常規(guī)的水浸式脈沖回波法采用底波高度成像仍然有一定的局限性。對于等厚度的層壓板，底面反射回波在超聲波A 型顯示波形的時間軸上處于固定的位置，在這種情況下使用一個寬度較窄的閘門可以對底波進行數(shù)據(jù)采集形成C 掃描圖像。而對于變厚度的層壓板，其底面反射回波隨著厚度的變化在時間軸上處于變化的位置，因此無法用一個閘門來選取底波信號成像，如果閘門設(shè)置范圍過寬會使缺陷回波的信號進入閘門內(nèi)，從而無法形成有效的C掃描圖像。

針對常規(guī)水浸脈沖超聲C 掃成像的局限性，采用了一種多電子閘門數(shù)據(jù)采集成像的技術(shù)，在試件最厚的位置（即A 區(qū)），在表面回波與底面回波之間設(shè)置多個首尾相連的閘門，采集每個閘門內(nèi)的信號單獨成像，這樣所有閘門信號所成圖像組合在一起就包含了整個變厚度試件內(nèi)部的缺陷信息。具體做法為：試件A 區(qū)的超聲A 型顯示波形，如圖2所示，在上表面回波與底面回波之間共設(shè)置了5個閘門，即gate1～gate5，這5個閘門首尾相連，覆蓋了整個試件厚度上的聲程，分別采集信號形成C掃描圖像。

圖2 多電子閘門超聲C掃數(shù)據(jù)采集原理示意圖

變厚度試件采用了上述多電子閘門超聲C 掃成像方法進行檢測，圖3所示為檢測結(jié)果。C 掃圖的位置關(guān)系對應(yīng)圖1中試件的俯視圖，C 掃圖從左至右對應(yīng)試件的A、B、C 區(qū)?？偣膊捎昧?個閘門來覆蓋整個試件的厚度，即試件A 區(qū)的厚度，閘門設(shè)置如圖2所示。圖3中a區(qū)所示為gate1 的C 掃成像結(jié)果，gate1在試件中所對應(yīng)的厚度區(qū)間最靠近超聲波的入射面。從圖中可以清楚地看出，最右側(cè)帶黑色圓圈所在的淺色區(qū)域即為該閘門的底波信號，三個黑色的圓圈，就是預(yù)埋在該厚度的人工缺陷，對應(yīng)圖1 中最右側(cè)的一排缺陷。圖3中b～e區(qū)分別對應(yīng)著gate2～gate5的C 掃描圖像，圖中黑色圓圈所在的淺色區(qū)域分別對應(yīng)各個閘門的底波信號，黑色的圓圈為人工缺陷。將圖3中a～e區(qū)五幅圖組合起來看，所有黑色圓圈所在的淺色區(qū)域拼接在一起，就包含了整個試件各個區(qū)域的內(nèi)部缺陷信息，預(yù)埋在試件中的18個缺陷均可以清楚地中顯示出來。因此所采用的多電子閘門超聲C 掃成像技術(shù)可以很好地解決變厚度層壓板的超聲脈沖回波法檢測問題。

圖3 試件的多電子閘門超聲C掃成像

3 結(jié)論

提出了一種基于多電子閘門的變厚度復(fù)合材料層壓板超聲脈沖回波法C 掃成像技術(shù)。該技術(shù)的基本思路是在變厚度層壓板的最厚區(qū)的上下表面回波之間設(shè)置若干個首尾相連的閘門，在每一個閘門內(nèi)提取相應(yīng)厚度的底面回波幅值進行成像，將所有閘門信號所成圖像組合分析，就可以得到變厚度層壓板各個區(qū)域的內(nèi)部缺陷信息。使用該方法對所制備的T300級碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料變厚度層壓板進行了超聲檢測，檢測時共設(shè)置了5個閘門以涵蓋試件的最大厚度，最終形成5幅C 掃圖像，這5幅C掃圖可以清楚地再現(xiàn)所有預(yù)埋的人工缺陷。試驗結(jié)果表明使用多電子閘門脈沖回波超聲檢測技術(shù)可以很好地解決變厚度層壓板的超聲C 掃檢測中底波位置變動的問題。

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